专利名称：一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法
技术领域：
本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法。
背景技术：
随着科学技术的发展和经济建设的需要，角位移测量传感器在工业、科技、航空航天等诸多领域得到了极为广泛的应用。在众多角位移测量传感器中，光电传感器一直是各个领域倍受青眯的一种测量装置。目前，在某些地方人们采用由单个线阵CCD构成的光电传感器对小幅角位移进行测量。线阵CCD是一种半导体器件，其上植入的微小光敏物质被称作CCD像元，它能把光学影像转换为数字信号；CCD驱动电路产生相应的驱动时序脉冲来驱动CCD成像，其过程分为光积分阶段和电荷转移阶段；在光积分阶段，CCD内的存储栅和移位寄存器不导通分别工作，存储栅进行光积分(即产生与光照对应的电荷信号，当CCD像元与光源之间有遮挡物的时候，相应的像元上完成光积分的电荷量就很少甚至没有为暗电流信号)，移位寄存器在驱动脉冲作用下将上一次移到此处的电荷信号向输出端转移并经转换后输出；在电荷转移阶段，存储栅和移位寄存器导通，将每个CCD像元的电荷信号按序号转移到移位寄存器中；线阵CCD上的电荷信号按照一定时序输出后，线阵CCD又重新开始下一周期光积分。对单个线阵CCD而言，在其像元成像过程中线阵CCD的有效像元总长度WO和行扫描周期T为固定的。上述由单个线阵CCD构成的光电传感器的测量原理如下激光发生器发出的平行光入射到被测物体表面上，形成光斑照射在线阵CXD的像元上，CXD像元上成像输出相应的电信号；当被测物体转动时，入射光斑发生偏转，所照射的线阵CCD上的像元位置随之变化，信号处理电路读取有光斑照射到的像元的个数，并乘以单个CCD像元尺寸，经转换后即可得到被测物体转动的角位移值。这种测量方法的测量精度依赖于线阵CCD内各像元的 安装以及加工尺寸，如果线阵CCD内各像元的安装以及加工尺寸存在差异会影响其测量结果；并且上述光电传感器不能用来对较大幅度的转轴角位移进行测量。在测量精度要求较高，且所测的角位移为转轴角位移的地方，人们通常采用光电编码器进行测量；光电编码器具有稳定性好、测量精度高、动态性好等优点，但是光电编码器最大的缺点是随着编码器输出位数的提高，编码盘的体积相应增大，其机械加工难度及加工成本也随着增加，同时其数据处理难度也随着大幅提高。
发明内容
本发明的目的是供一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法，以在满足高精度测量的情况下，减小其机械加工难度，大幅降低数据处理难度。本发明的基本构思为利用多个线阵CCD构成一个CCD圆周阵列，采用平行光场下透光的形式来实现角位移的测量。其基本测量原理为让线阵CCD匀速运动，扫描被测物体，在保证速度匀速的前提下，根据公式S = V*t，V = wo/τ，将与位移相关的测量转换到时间的测量上，利用高频时钟脉冲插补的方式去实现转轴角位移的测量。本发明所述的用于测量转轴角位移的光电传感器，包括平行光照单元和检测单元，所述检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板、与各线阵CCD电连接的电路板，圆形遮光挡板与圆形固定板平行，圆形遮光挡板上开设的透光缝隙的数量与圆形固定板上固定的线阵CCD的数量相等；所述圆形遮光挡板连接在转轴的一端，并与转轴一同转动，所述圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上；圆形固定板上沿圆周均匀布置有N个线阵CCD，且N为大于等于六的偶数，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360° /N等分线上，形成CCD圆周阵列，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个与电路板电连接且用于记录转轴转过的透光缝隙数目的光敏二极管，构成光电开关；各线阵CXD和光敏二极管均能获得从透光缝隙传递过来的平行光的照射；转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，电路板上的CCD驱动电路将各线阵CCD按照布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动，各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，该透光缝隙时刻与对应的线阵CCD驱动起始时刻的时间差由插补的高频时钟脉冲个数表示，该插补的高频时钟脉冲个数结合光敏二极管的脉冲计数值，经角度转换后得到转轴的角位移值。进一步，所述圆形遮光挡板沿圆周均匀开设有间隔36°的十条透光缝隙，所述圆形固定板上沿圆周均匀布置有十个线阵CCD，各线阵CCD的有效起始位置沿顺时针设在圆形固定板的36°等分线上，形成C⑶圆周阵列。进一步，为了形成一个高质量的平行光场，同时节约成本，所述平行光照单元包括激光平行光源、与激光平行光源大小一致的小凸透镜、大凸透镜和光源壳体，所述激光平行光源连接在光源壳体的一端并伸入光源壳体内，小凸透镜和大凸透镜平行连接在光源壳体内，小凸透镜与大凸透镜具有共同的焦点，激光平行光源发出的平行光射入小凸透镜，经小凸透镜折射后会聚于焦点处，再从焦点处射入大凸透镜，经大凸透镜折射后形成平行光场，圆形遮光挡板的边缘能完全挡住平行光，平行光只能从透光缝隙中穿过。采用上述光电传感器对转轴角位移进行测量的方法，包括步骤I :让平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，光敏二极管记录转过的透光缝隙数目；步骤2 :从第一个线阵CCD开始，电路板上的CCD驱动电路周期性的按照各线阵CCD布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动各线阵CCD依次工作；·步骤3 电路板上的CCD信号采集电路按照各线阵CCD的布置顺序依次采集各线阵CCD的驱动起始时刻和各线阵CCD检测到的透光缝隙时刻，如果某个线阵CCD上检测到有两个透光缝隙，则以先出现的透光缝隙对应的时刻为该线阵CCD的透光缝隙时刻；步骤4 电路板上的信号处理�？榘锤飨哒驝XD的布置顺序依次将线阵CXD检测到的透光缝隙时刻与该线阵CCD的驱动起始时刻的时间差用高频时钟脉冲插补，并记录光敏二极管的开关次数形成脉冲计数值，将插补的高频时钟脉冲个数和光敏二极管的脉冲计数值输出给电路板上的角度转换�？椋徊街�5 电路板上的角度转换�？榻宀沟母咂凳敝勇龀甯鍪凸饷舳艿穆龀寮剖到邢嘤ψ缓蟮玫阶峤俏灰浦怠１痉⒚饔胂钟屑际跸啾染哂腥缦掠诺�(I)将开有透光缝隙的圆形遮光挡板连接在转轴的一端并与转轴一同转动，将各线阵CCD均匀布置在圆形固定板上，将圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上，利用较小的激光平行光源、小凸透镜和大凸透镜配合，产生平行光，构成了传感器的机械结构，其加工难度比光电编码器的编码盘加工难度低，同时成本也较低。(2)采用CXD驱动电路将各线阵CXD按照布置顺序依次错开1/N个CXD行扫描周期驱动，让各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，各线阵CCD固定不动，由转轴转动带动圆形遮光挡板转动，带动透光缝隙转动，相当于实现了在不需要动力驱动的情况下，一个线阵CCD以恒定速度V = WO/Τ沿圆周运动的运动模式，在不降低传输速度的前提下，各线阵CCD串行输出(即按照线阵CCD的布置顺序依次输出，每次只输出一个线阵CCD检测到的信号)，对于需要较多的线阵CCD参与测量的传感器，其后续电路的数据采集和处理难度大幅度降低了。(3) N个线阵CCD错开1/N个行扫描周期驱动，相当于N个线阵CCD将一个周期等分成N个读数时刻，使得在一个周期内可以得到N个不同的位置信息；提高了该传感器测量的分辨力，其效果相当于将原来一个线阵CCD的驱动频率提高了 N倍。(4)将线阵CCD依次输出的透光缝隙时刻与对应的线阵CCD驱动起始时刻的时间差用高频时钟脉冲插补，结合光敏二极管的脉冲计数值，可以对较大幅度的转轴角位移进行测量，可实现静态和动态转子转角位移的测量；同时可以不去考虑线阵CCD中单个像元的尺寸，避开了像元之间因为安装和加工尺寸上所带来的差异，提高了测量精度。
图I为线阵CXD匀速扫描测量原理图。图2为本发明的结构示意图。图3为本发明中圆形固定板上光敏二极管以及各线阵CXD的分布图。图4为本发明中圆形遮光挡板的结构示意图。图5为本发明的(XD圆周阵列测量原理图。图6为本发明的电路原理框图。图7为本发明进行测量时的流程图。图8为本发明中进行角度转换的转换关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图I所示，本发明的基本测量原理为让线阵C⑶匀速运动，扫描被测物体，在保证速度匀速的前提下，根据位移公式S = v*t，将与位移相关的测量转换到时间的测量上，利用高频时钟脉冲插补的方式去实现转轴角位移的测量。设空间有一个以速度V匀速运动的线阵(XD，在线阵CXD上方有一个相对于线阵CXD以任意速度V运动的物体，其中V >> V，线阵(XD与被测物体构成运动坐标系S’，大地构成一个静止坐标系S，在S上设置有等间距为WO的观测点，线阵CCD起始位置到达观测点的时间间隔为固定的τ，所以有V = WO/T，假设在第i个周期，被测物体相对线阵CCD起始位置的位移为Xi，现对线阵CCD的有效像元总长度WO用η个高频时钟脉冲进行插补，即将T用η个高频时钟脉冲的时间长度来表示，则有-M = V*n*Pt，那么一个时钟脉冲大小
W
为 由此可以看出，通过转换，每个时钟脉冲具有空间的概念，也就说明为什么
V*n
可以用时间脉冲进行空间位移测量的原因。用此高频时钟脉冲对线阵CCD的起始脉冲
与被测物体电信号的上升沿进行插补，则有被测物体相对线阵CCD起始位置的位移为 Wf.Wn *_
X = ν *τ =-~Vp ν P(ι)
1 * n*Pt V r T^t其中Ti为线阵CXD到达观测点时间与以任意速度V运动的物体到达观测点时间之差。本发明的基本构思为利用多个线阵CCD构成一个CCD圆周阵列，采用平行光场下透光的形式来实现角位移的测量。如图2、图3、图4、图6所示的用于测量转轴角位移的光电传感器，包括平行光照单元和检测单元。平行光照单元包括激光平行光源14、与激光平行光源14大小一致的小凸透镜13、大凸透镜9和光源壳体10，激光平行光源14的出光口径为Φ 40、波长为550nm、功率为2 4W，小凸透镜13的直径为Φ40、焦距Π为35 50mm，大凸透镜9的直径为Φ 120，焦距f2为100 120_ ;激光平行光源14通过拧紧螺母15连接在光源壳体10的一端并伸入光源壳体10内，小凸透镜13和大凸透镜9的端部边缘均采用透镜固定环12包�。瞬客ü潭荻�11固定连接在光源壳体10内，小凸透镜13与大凸透镜9相互平行且具有共同的焦点F，激光平行光源14发出的平行光射入小凸透镜13，经小凸透镜13折射后会聚于焦点F处，再从焦点F处射入大凸透镜9，经大凸透镜9折射后形成平行光场。检测单元包括圆形遮光挡板8、圆形固定板6和电路板4。圆形遮光挡板8采用表面涂黑色油漆的硬铝2A12，厚度不超过5mm，圆形遮光挡板8沿圆周均匀开设有十条宽度为O. Imm,长度为51mm的透光缝隙81 (即相邻透光缝隙之间间隔36° )，平行光照单元形成的平行光场大于圆形遮光挡板8上透光缝隙81的圆周直径，小于圆形遮光挡板8的直径(即圆形遮光挡板8的边缘能完全挡住平行光，平行光只能从透光缝隙81中穿过)；圆形固定板6采用玻璃纤维环氧树脂材料,直径约150mm,厚度约5mm,圆形固定板6沿圆周均匀固定有十个与电路板4电连接的线阵(XD，线阵CXD的型号采用T⑶1501(也可以是TCD15系列或TCD17系列内的其它型号)，各线阵CCD的有效起始位置(即线阵CCD内像元的起始位置)沿顺时针方式均设在圆形固定板的36°等分线上，形成CCD圆周阵列，由于线阵C⑶的像元部分为中间玻璃窗位置，因此在布置时有五个线阵C⑶靠外，其编号为(XD1、(XD3、(XD5、(XD7、(XD9，对应36。圆周角，其有效像元长度刚好为WO ;另外五个线阵C⑶靠内，其编号为(XD2、(XD4、(XD6、CCD8、(XD10，对应36°圆周角，其有效像元长度为Wl，在第一个线阵(XD(即(XDl)的有效起始位置等分线上设置有一个与电路板4电连接的光敏二极管24 ;圆形固定板6上固定的线阵CXD以及光敏二极管24的布置位置与圆形固定板6的圆心之间的距离均小于透光缝隙81的圆周半径(即各线阵CXD和光敏二极管均能获得从透光缝隙81传递过来的平行光的照射)。电路板4采用FPGA(即可编程门阵列)和DSP(即数字信号处理器)作为核心处理芯片，FPGA控制CXD驱动电路、CXD信号采集电路以及光敏二极管和CXD圆周阵列，DSP控制角度输出电路。其中，FPGA主要负责驱动各线阵CCD工作、采集从CCD中输出的信号并进行适当处理、记录光敏二极管24的开关次数形成脉冲计数值，并将处理后的CCD输出信号和形成的光敏二极管的脉冲计数值(即光敏二极管脉冲数)输出给DSP ;DSP用于接收这两个数据，并将其转换为转轴的角位移值，通过角度输出电路输出给后续系统。为了减少平行光线的衍射现象，保证各线阵CCD得到第一条亮条纹的宽度不超过 O.15mm,通过电路的二值化处理让有效宽度控制在O. Imm左右，圆形遮光挡板8与圆形固定板6平行且间隔5_以内；圆形遮光挡板8中心打通孔与转轴I间隙配合，并通过挡板垫片20和压紧螺母19固定连接在转轴I上，与转轴I 一同转动；圆形固定板6和电路板4穿过转轴I并通过定位螺钉5固定在外壳7上，圆形固定板6、电路板4和外壳7固定不动,转轴I通过轴承23和锁紧螺母2支撑在一轴套3上，轴套3的端面开设有一个供电路板4向外引线的电缆线孔22，该轴套3通过盘头螺钉21与外壳7连接，外壳7通过连接螺钉18、螺母16以及挡片17与光源壳体10连接。如图5、图6、图7、图8所示，采用上述光电传感器对转轴角位移进行测量，包括如下步骤I)让激光平行光源14发出的平行光穿过透光缝隙81形成独立的平行光束，转轴I转动带动圆形遮光挡板8上的透光缝隙81转动，圆形固定板6和电路板4不转动，光敏二极管24记录转过的透光缝隙数目，当有一个透光缝隙转过时，光敏二极管24产生一个开关信号(即脉冲)送入FPGA内，FPGA内的计数器进行脉冲计数，形成光敏二极管脉冲数j。2) FPGA周期性的输出驱动脉冲信号控制CXD驱动电路，按照十个线阵CXD的布置顺序依次从CXDl开始到(XD2、(XD3……到CXDlO，错开T/10时间驱动它们依次工作，一个CCD行扫描周期T之后进入下一个驱动循环；假设在一个CCD行扫描周期T内，被测物体(即圆形遮光挡板对应于转轴)静止不动，每个线阵CXD上对应一个有平行光穿过的透光缝隙，参见图5，将CCD圆周阵列从CCDl位置沿圆周展开，设每个线阵CCD的起始脉冲信号为窄脉冲，被测物体检测到有透光缝隙的信号为宽脉冲，十个线阵CCD在这一个周期T内的测量时序图如图5所示，从CCDl到CCDlO驱动时序上分别错开T/10时间，在十个线阵CCD上面分别得到十个被测物体位置的时刻tl、t2、t3……t9、tlO ;如果被测物体相对CXD圆周阵列转动，采用图I所示的测量原理，可在一个周期T内测量十次被测物体的角位移。3)FPGA控制CCD信号采集电路按照十个线阵CCD的布置顺序依次锁定每个线阵CCD的驱动起始时刻(即起始脉冲的上升沿时刻)，并依次采集对应线阵CCD检测到的透光缝隙时刻ti，如果某个线阵CCD上检测到有两个透光缝隙，则以先出现的透光缝隙对应的时刻为该线阵C⑶的透光缝隙时刻ti，比如图3中，编号为(XD2、(XD4、(XD6、(XD8、CXDlO的线阵CCD可能会检测到两个透光缝隙，则以先出现的透光缝隙(即与各线阵CCD有效起始位置所呈夹角小的那条透光缝隙)对应的时刻为准；4) FPGA按照十个线阵CXD的布置顺序将线阵CXD检测到的透光缝隙时刻ti与该线阵CCD的驱动起始时刻的时间差Ti用高频时钟脉冲插补(即K = �)，并读取计数器
O记录的光敏二极管脉冲数j，按十个线阵CCD的布置顺序将各线阵CCD插补的高频时钟脉冲个数 C和光敏二极管脉冲数j输出给DSP ；5)DSP接收这两个数据，并进行如下角度转换(即角位移转换)在转轴转动过程中，由光敏二极管脉冲数j可得到转轴转动的一部分大角度值A，A=(j-1)*36。(2)在进行另一部分圆周角度测量的过程中，每个线阵CCD上得到的位移为直线位移，应将其转换为相应的角度值，转换关系如图8所示，每个线阵CCD对应的圆弧长度为
权利要求
1.一种用于测量转轴角位移的光电传感器，包括平行光照单元和检测单元，其特征是所述检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板(8)、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板(6)、与各线阵CCD电连接的电路板(4)，圆形遮光挡板(8)与圆形固定板(6)平行，圆形遮光挡板(8)上开设的透光缝隙的数量与圆形固定板(6)上固定的线阵CCD的数量相等；所述圆形遮光挡板(8)连接在转轴(I)的一端，并与转轴(I) 一同转动，所述圆形固定板(6)和电路板⑷穿过转轴⑴固定在外壳(7)上；圆形固定板(6)上沿圆周均匀布置有N个线阵CCD，且N为大于等于六的偶数，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360° /N等分线上，形成CCD圆周阵列，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个与电路板电连接且用于记录转轴转过的透光缝隙数目的光敏二极管(24)； 转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，电路板上的CCD驱动电路将各线阵CCD按照布置顺序依次错开I/N个CCD行扫描周期驱动，各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，该透光缝隙时刻与对应的线阵CCD驱动起始时刻的时间差由插补的高频时钟脉冲个数表示，该插补的高频时钟脉冲个数结合光敏二极管的脉冲计数值，经角度转换后得到转轴的角位移值。
2.根据权利要求I所述的用于测量转轴角位移的光电传感器，其特征是所述圆形遮光挡板(8)沿圆周均匀开设有间隔36°的十条透光缝隙，所述圆形固定板(6)上沿圆周均匀布置有十个线阵CCD，各线阵CCD的有效起始位置沿顺时针设在圆形固定板的36°等分线上，形成C⑶圆周阵列。
3.根据权利要求I或2所述的用于测量转轴角位移的光电传感器，其特征是所述平行光照单元包括激光平行光源(14)、与激光平行光源大小一致的小凸透镜(13)、大凸透镜(9)和光源壳体(10)，所述激光平行光源(14)连接在光源壳体(10)的一端并伸入光源壳体内，小凸透镜(13)和大凸透镜(9)平行连接在光源壳体(10)内，小凸透镜与大凸透镜具有共同的焦点，激光平行光源发出的平行光射入小凸透镜，经小凸透镜折射后会聚于焦点处，再从焦点处射入大凸透镜，经大凸透镜折射后形成平行光场。
4.采用权利要求I所述的用于测量转轴角位移的光电传感器对转轴角位移进行测量的方法，其特征是，包括 步骤I :让平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，光敏二极管记录转过的透光缝隙数目； 步骤2 :从第一个线阵CCD开始，电路板上的CCD驱动电路周期性的按照各线阵CCD的布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动各线阵CCD依次工作； 步骤3 电路板上的CCD信号采集电路按照各线阵CCD的布置顺序依次采集各线阵CCD的驱动起始时刻和各线阵CCD检测到的透光缝隙时刻，如果某个线阵CCD上检测到有两个透光缝隙，则以先出现的透光缝隙对应的时刻为该线阵CCD的透光缝隙时刻； 步骤4 电路板上的信号处理模块按照各线阵CCD的布置顺序依次将线阵CCD检测到的透光缝隙时刻与该线阵CCD的驱动起始时刻的时间差用高频时钟脉冲插补，并记录光敏二极管的开关次数形成脉冲计数值，将插补的高频时钟脉冲个数和光敏二极管的脉冲计数值输出给电路板上的角度转换模块； 步骤5 :电路板上的角度转换�？榻宀沟母咂凳敝勇龀甯鍪凸饷舳艿穆龀寮剖到邢嘤ψ缓蟮玫阶� 角位移值。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法，该光电传感器包括平行光照单元和检测单元，检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板、与各线阵CCD电连接的电路板；圆形遮光挡板连接在转轴的一端，并与转轴一同转动，圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上；圆形固定板上布置有N个线阵CCD，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360°/N等分线上，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个光敏二极管；利用N个线阵CCD构成一个CCD圆周阵列，采用平行光场下透光的形式来实现角位移的测量。在满足高精度测量的情况下，能减小传感器的机械加工难度，大幅降低数据处理难度。
文档编号G01B11/26GK102914277SQ20121039539
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者付敏, 彭东林, 陈锡侯, 鲁进 申请人:重庆大学
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